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El efecto alfa se refiere a la nucleofilia incrementada de un átomo debido a la presencia de un átomo adyacente (alfa) con pares de electrones solitarios . [2] Este primer átomo no necesariamente exhibe una basicidad incrementada en comparación con un átomo similar sin un átomo adyacente donador de electrones, lo que resulta en una desviación de la clásica relación reactividad-basicidad de tipo Brønsted. En otras palabras, el efecto alfa se refiere a nucleófilos que presentan una nucleofilia más alta que el valor predicho obtenido a partir de la basicidad de Brønsted. Los ejemplos representativos serían las altas nucleofilias de hidroperóxido (HO 2 − ) e hidrazina (N 2 H 4 ). [3] El efecto ahora está bien establecido con numerosos ejemplos y se convirtió en un concepto importante en la química mecanicista y la bioquímica. [4] Sin embargo, el origen del efecto todavía es controvertido sin un ganador claro.
Fondo
Experimento
El efecto fue observado por primera vez por Jencks y Carriuolo en 1960 [5] [6] en una serie de experimentos de cinética química que involucraban la reacción del éster acetato de p-nitrofenilo con una variedad de nucleófilos. Se encontró que los nucleófilos regulares como el anión fluoruro , la anilina , la piridina , la etilendiamina y el ion fenolato tenían velocidades de reacción de pseudo primer orden correspondientes a su basicidad medida por su pKa . Sin embargo, otros nucleófilos reaccionaron mucho más rápido de lo esperado basándose solo en este criterio. Estos incluyen hidrazina , hidroxilamina , el ion hipoclorito y el anión hidroperóxido .
efecto α
En 1962, Edwards y Pearson (este último de la teoría HSAB ) introdujeron la frase efecto alfa para esta anomalía. Sugirieron que el efecto era causado por un efecto de estabilización del estado de transición (ET): al entrar en el ET, el par de electrones libres del nucleófilo se aleja del núcleo, lo que provoca una carga positiva parcial que puede estabilizarse mediante un par solitario adyacente, como ocurre, por ejemplo, en cualquier carbocatión . [7]
Teoría
A lo largo de los años, se han propuesto muchas teorías adicionales para intentar explicar el efecto.
Desestabilización del estado fundamental
La teoría de la desestabilización del estado fundamental propone que la repulsión electrón-electrón entre el par solitario alfa y el par de electrones nucleófilos se desestabilizan entre sí por repulsión electrónica (interacción orbital lleno-lleno), lo que disminuye la barrera de activación al aumentar la energía del estado fundamental y hacerlo más reactivo. Esto explica la mayor reactividad de los nucleófilos α; sin embargo, este mecanismo electrónico también debería aumentar la basicidad y, por lo tanto, no puede explicar completamente el efecto α. [4]
Estabilización del estado de transición
Muchas explicaciones caen en esta categoría. En primer lugar, la teoría de interacciones orbitales secundarias enfatizó que el heteroátomo donador de electrones en la posición α podría contribuir a una mayor interacción orbital con el sustrato, lo que estabiliza el estado de transición (TS) y proporciona una mayor reactividad. [8] En segundo lugar, el mecanismo de transferencia de electrones (ET) presenta que el heteroátomo en la posición α podría estabilizar el estado de transición S N 2 que tiene un carácter de transferencia de un solo electrón (radical libre). [9] Otras fuerzas impulsoras, incluido el estado de transición más estrecho [10] y la mayor polarizabilidad de los nucleófilos α, la participación de la catálisis intramolecular también juegan un papel. Otro estudio in silico encontró una correlación entre el efecto alfa y la llamada energía de deformación, que es la energía electrónica requerida para unir los dos reactivos en el estado de transición. [11]
Estabilidad termodinámica del producto
Esta explicación propone que un producto estable podría contribuir al efecto alfa, sin embargo, este factor podría no ser el único. [4]
Efectos inducidos por disolventes
El efecto alfa también depende del disolvente , pero no de una manera predecible: puede aumentar o disminuir con la composición de la mezcla de disolventes o incluso alcanzar un máximo. [12] Al menos en algunos casos, se ha observado que el efecto alfa desaparece si la reacción se lleva a cabo en fase gaseosa, lo que lleva a algunos a concluir que es principalmente un efecto de solvatación. [13] Sin embargo, esta explicación tiene limitaciones ya que se pueden encontrar efectos alfa similares en diferentes sistemas de disolventes y también porque la solvatación afecta tanto a la basicidad como a la nucleofilia del nucleófilo. [4]
Repulsión de Pauli y superposición de HOMO-LUMO
En el artículo reciente publicado en 2021, [14] Hansen y Vermeeren propusieron los dos requisitos para que un nucleófilo α presente el efecto α. Los dos requisitos propuestos fueron (1) minimización de la repulsión de Pauli estérica a través de pequeños lóbulos HOMO en el centro nucleofílico y (2) pequeña brecha de energía orbital HOMO-LUMO que asegure la superposición orbital con el sustrato. Se propuso que ambos requisitos deberían cumplirse para tener un efecto α, de lo contrario, los nucleófilos no mostrarían ningún efecto α o lo mostrarían de forma inversa (Figura 2). En este trabajo reciente, los seis nucleófilos normales (HO - , CH 3 O - , H 2 N - , CH 3 HN - , CH 3 S - , HS - ) siguieron la correlación de tipo Brønsted. Los α-nucleófilos con O, HN y S en la posición α se clasificaron en tres grupos según su grado y patrón de desviación de la correlación de tipo Brønsted en reacciones S N 2 con el sustrato, cloruro de etilo (C 2 H 5 Cl) (Figura 3).
Primero, los α-nucleófilos con desviación descendente, es decir, mayor reactividad mostrada considerando la basicidad o menor basicidad dada la reactividad, fueron agrupados como nucleófilos que mostraban efecto α. El segundo grupo tenía nucleófilos con pequeña o ninguna desviación de la línea trazada por seis nucleófilos normales. Por último, el tercer grupo tenía nucleófilos que mostraban efecto α inverso, es decir, que están por encima de la línea trazada o tienen menor reactividad considerando su alta basicidad. La teoría funcional de la densidad relativa, el modelo de deformación de activación , el análisis de descomposición energética y el análisis de orbitales moleculares de Kohn-Sham los tres grupos tenían una distinción en los lóbulos HOMO y los gaps HOMO-LUMO.
Para profundizar en el primer requisito, el heteroátomo electronegativo reduce la densidad electrónica del átomo que ataca al nucleófilo, haciendo que el lóbulo HOMO sea más pequeño. Esto minimiza la repulsión de Pauli entre el sustrato y el nucleófilo. No obstante, estos lóbulos HOMO pequeños no significan una menor interacción orbital que el nucleófilo normal original. Esto se debe a que los α-nucleófilos que muestran el efecto α tienen una brecha HOMO(nucleófilo)-LUMO(sustrato) más pequeña, en otras palabras, un alto nivel de energía HOMO que permite una mayor interacción orbital.
En la Figura 4 se muestran ejemplos de nucleófilos α con efectos α. Los nucleófilos α tienen lóbulos HOMO más pequeños que el nucleófilo normal original.
En la Figura 5 se muestran ejemplos de nucleófilos α con efecto α y efecto α inverso.
Véase también
Referencias
- ^ abcde Hansen, Thomas; Vermeeren, Pascal; Bickelhaupt, F. Matías; Hamlin, Trevor A. (26 de julio de 2021). "Origen del efecto α en las reacciones SN2". Edición internacional Angewandte Chemie . 60 (38): 20840– 20848. doi : 10.1002/anie.202106053 . ISSN 1433-7851. PMC 8518820 . PMID 34087047.
- ^ Reactividad química. 14 de julio de 2006. Universidad Estatal de Michigan. 27 de julio de 2006 <[1]>.
- ^ Smith, Michael B.; March, Jerry (2007), Química orgánica avanzada: reacciones, mecanismos y estructura (6.ª ed.), Nueva York: Wiley-Interscience, pág. 495, ISBN 978-0-471-72091-1
- ^ abcd Fina, Nick J.; Edwards, John O. (enero de 1973). "El efecto alfa. Una revisión". Revista internacional de cinética química . 5 (1): 1– 26. doi :10.1002/kin.550050102. ISSN 0538-8066.
- ^ William P. Jencks; Joan Carriuolo (1960). "Reactividad de reactivos nucleofílicos hacia ésteres". Revista de la Sociedad Química Americana . 82 (7): 1778– 86. doi :10.1021/ja01492a058.
- ^ William P. Jencks; Joan Carriuolo (1960). "Catálisis básica general de la aminólisis del acetato de fenilo". Revista de la Sociedad Química Americana . 82 (3): 675– 81. doi :10.1021/ja01488a044.
- ^ John O. Edwards; Ralph G. Pearson (1962). "Los factores que determinan las reactividades nucleofílicas". Revista de la Sociedad Química Americana . 84 : 16–24 . doi :10.1021/ja00860a005.
- ^ Liebman, Joel F.; Pollack, Ralph M. (septiembre de 1973). "Estados de transición aromáticos y el efecto .alfa". The Journal of Organic Chemistry . 38 (19): 3444– 3445. doi :10.1021/jo00959a059. ISSN 0022-3263.
- ^ Hoz, Shmaryahu (octubre de 1982). "El efecto .alpha.: sobre el origen de la estabilización del estado de transición". The Journal of Organic Chemistry . 47 (18): 3545– 3547. doi :10.1021/jo00139a033. ISSN 0022-3263.
- ^ Fountain, KR; Felkerson, Cassie J.; Driskell, Jeremy D.; Lamp, Brian D. (1 de marzo de 2003). "El efecto α en las transferencias de metilo desde el fluoroborato de S-metildibenzotiofenio a los N-metilbenzohidroxamatos sustituidos". The Journal of Organic Chemistry . 68 (5): 1810– 1814. doi :10.1021/jo0206263. ISSN 0022-3263. PMID 12608795.
- ^ Ren, Y; Yamataka, H (julio de 2007). "El efecto alfa en las reacciones SN2 en fase gaseosa: existencia y origen del efecto". The Journal of Organic Chemistry . 72 (15): 5660– 7. doi :10.1021/jo070650m. ISSN 0022-3263. PMID 17590049.
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- ^ A., Carroll, Felix (2010). Perspectivas sobre la estructura y el mecanismo en la química orgánica (2.ª ed.). Hoboken, NJ: John Wiley. ISBN 9780470276105.OCLC 286483846 .
{{cite book}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace ) - ^ Hansen, Thomas; Vermeeren, Pascal; Bickelhaupt, F. Matías; Hamlin, Trevor A. (13 de septiembre de 2021). "Origen del efecto α en reacciones SN 2". Edición internacional Angewandte Chemie . 60 (38): 20840– 20848. doi :10.1002/anie.202106053. ISSN 1433-7851. PMC 8518820 . PMID 34087047.
